草木灰取代率對竹原纖維水工砂漿物理力學性能的影響

王顯

摘要：草木灰具有一定的火山灰活性，作為水泥基建筑材料的摻和料有一定的工程意義和生態意義。利用室內試驗研究了草木灰對竹原纖維砂漿性能的影響。試驗結果表明：在竹原纖維砂漿中摻入一定量的草木灰可降低砂漿的吸水率與導熱系數，提升后期抗壓強度與抗折強度，增強了材料的物理力學特性；竹原纖維砂漿中利用草木灰取代一定量的水泥，可提升化學結合水量；最佳取代率應為水泥用量的10%。該材料具有一定的工程應用價值和環保作用。

關鍵詞：草木灰； 水泥砂漿； 竹原纖維； 室內試驗

中圖法分類號：TV543文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.017

文章編號：1006-0081（2023）09-0102-04

0引言

水泥砂漿是灌溉渠道建設中應用最廣泛的人工材料，其性能對工程質量存在直接影響。但是，水泥砂漿也有自身的明顯缺陷，主要是脆性大、抗裂性能不足，在施工過程中會出現大量的內部孔隙和裂縫［1］。對灌溉渠道而言，上述裂縫的存在會造成嚴重的安全隱患，不利于工程質量和耐久性的提升。基于此，學術界和工程界均采用加入纖維材料的方式進行水泥砂漿的性能改善。目前，用于水泥基材料的增強纖維主要是無機纖維和合成纖維。這些纖維不僅生產成本較高，同時還存在顯著的能源消耗和環境污染問題，不符合綠色環保理念［2］。因此，天然纖維砂漿成為當前研究的重要方向，竹原纖維作為常見的天然纖維，斷裂強度為7 cN/dtex，斷裂伸長率為3.48%，完全滿足用于混凝土增強的基本要求［3］。黃金富研究了3種常見竹種纖維（慈竹、毛竹、綠竹）對加氣混凝土的影響。研究結果表明：3種竹纖維中慈竹纖維具有對加氣混凝土最佳的增強作用，當其摻量達到 7.17%時，混凝土試件的抗壓強度提高12.5%［4］。中國擁有豐富的竹林資源，在發展竹纖維產業方面具有天然優勢［5］。

生物質燃料具有可再生、低碳、儲量豐富的特點，已被廣泛應用于電力生產、化工等行業，并且生物質燃料在燃燒階段，只是將其自身光合作用固定的有機碳釋放到大氣中，而不是類似化石能源中所積存的地質時代的有機碳，故生物質燃料燃燒產生的二氧化碳不會導致溫室效應。據估計，到2050年，生物質燃料將滿足全球33%～50%的一次能源消耗［6］。全球 95%以上的生物能源來源于生物質燃燒［7］。為了解決能源安全問題，中國近年來大力推進生物質燃料發電產業發展，同時也產生了大量的固體廢棄物——草木灰［8］。隨著生物質燃料更多被用于可持續能源生產，越來越多的專家和學者已經開啟了用生物質燃料灰渣替代傳統硅酸鹽水泥的研究。Esteves等研究發現，當用草木灰替代10%以內水泥時，草木灰－水泥砂漿抗壓強度會增加，但當替換量更高時，抗壓強度會下降［9］。Garcia研究結果表明：混凝土氯離子滲透性隨著草木灰含量增加而增加［10］。楊彬等研究發現，隨著麥秸稈灰的摻量越大，混凝土的工作性能越差，而麥秸稈灰的摻入可在一定程度上彌補碳纖維混凝土抗壓強度不高的缺陷［11］。張強等探究了雙摻油菜秸稈灰和硅灰對混凝土的性能影響。結果發現硅灰和油菜秸稈灰都降低了混凝土工作性能，硅灰的加入優化了油菜秸稈灰混凝土的力學性能［12］。王剛發現，當稻殼灰和硅灰摻量為 5%～10%時能提高混凝土的抗壓強度和抗折強度，摻硅灰混凝土相對于摻稻殼灰混凝土的強度更高［13］。

不同種草木灰的化學成分差異較大，性能也會有很大的差別。目前，大部分研究是針對某一種生物質灰燼進行的，而生物質電廠是通過燃燒多種不同的生物質燃料來發電，草木灰成分可能更復雜，故開展摻加草木灰在水泥和混凝土方面的研究具有重要意義。基于此，此次研究通過室內試驗的方式探討草木灰對竹原纖維水泥砂漿物理力學性能的影響，以便為相關研究和工程實踐提供支持和借鑒。

1材料與方法

1.1試驗材料

此次試驗研究采用的是青松建筑材料有限公司出品的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。經樣品測試，其各項性能指標均符合GB/T 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的相關要求，可用于試驗研究。

試驗用草木灰來自生物質發電項目的飛灰。由于原狀產品粒徑較大，需要進行粉磨過篩，以滿足礦物摻和料細度要求。經測試，平均粒徑為0.032 mm，堆積密度為1 028 kg/m3，主要成分如表1所示。

試驗中選用的竹原纖維為福建海博化學技術有限公司提供的楠竹纖維，由竹材進行蒸煮、軟化、定向開纖和定長切割制成，平均長度為30 mm，斷裂強度為7.21 cN/dtex。

試驗中使用的減水劑為湖南中巖建材科技有限公司提供的聚羧酸減水劑，其推薦摻量為膠凝材料的2%。試驗中集料為水洗中砂，細度模數為2.65，堆積密度為1 566 kg/m3，表觀密度為2 635 kg/m3。試驗用水為普通自來水。

1.2試驗方案

試驗中以水工襯砌結構施工中常用的M25砂漿為基準，進行配合比設計。膠砂比確定為2∶5。按照相關工程實踐經驗，竹原纖維按照質量比確定摻量水平，其摻量為2%。草木灰取代率確定為0%，5%，10%，15%和20%等。減水劑摻量為2%。具體試驗方案配合比設計如表2所示。

1.3試驗方法

草木灰-竹原纖維砂漿采用機械攪拌方式制作，考慮到竹原纖維在砂漿中不易分散，因此在試驗中先將水泥、砂和竹原纖維混合干拌90 s，然后再加入其余材料攪拌180 s。為了保證試件的質量，此次試驗中分兩次裝模振動，每次振動以砂漿表面出漿氣泡不再增多為標準［14］。試塊成型之后置于陰涼處靜置24 h脫模編號，然后放入養護室在溫度20 ℃、相對濕度95%的標準養護條件下養護至試驗規定齡期［15］。

按照GB/T 50081-2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，草木灰-竹原纖維水泥砂漿進行3，28 d和56 d抗壓強度和抗折強度測試，抗壓強度采用100 mm×100 mm×100 mm試件，抗折強度測試采用100 mm×100 mm×400 mm試件，試驗設備為WTC-200微機伺服萬能試驗機［16］。試件吸水率和導熱系數按照GB/T 4111-2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》進行。化學結合水測量方法，即先將養護到一定齡期的試塊取一部分放入烘箱，在105 ℃條件下干燥處理2 h，再將干燥后的試樣放入無水乙醇中以中止水化，最后將試樣粉碎成沫，用高精度電子秤稱取1 g（精確至 0.000 1 g），放入馬弗爐中，在600 ℃高溫下燒灼至恒重，然后根據試驗數據計算獲取體系化學結合水量［17］。

2試驗結果與分析

2.1物理性能

利用試驗中獲得的數據，計算獲取不同取代率條件下試件的吸水率，結果如圖1所示。由試驗結果可以看出，隨著草木灰取代率的增加，試件的吸水率也呈現出先減小后增大的變化趨勢。從具體試驗數據來看，當草木灰取代率為10%時，試件的吸水率最小。究其原因，主要是摻入少量的草木灰會提高砂漿內部結構的密實度，因此孔隙率有所減小，但是過量摻入會導致內部孔隙變多，吸水率增加。

根據試驗數據計算出不同草木灰取代率方案試件的導熱系數，并繪制出導熱系數隨草木灰取代率變化曲線如圖2所示。由試驗結果可以看出，試件的導熱系數隨著草木灰摻量水平的提高呈現出先迅速減小后不斷增大的變化特點。從具體的試驗數據來看，當草木灰取代率為10%時的試件導熱系數值最小，這對于提高北方寒區工程的保溫性能，降低凍融破壞具有一定的作用。這是因為，和水泥砂漿中的其他材料相比，草木灰的導熱系數較小，草木灰的摻入會增加砂漿內部的閉口孔隙，從而降低試件的導熱系數。但是，草木灰替代量的大幅增加會造成試件內部產生數量較多的開口孔隙，從而引起氣體對流，使試件導熱系數增大。

2.2力學性能

利用試驗中獲得的數據，計算獲取不同草木灰取代率、不同齡期條件下試件的抗壓強度值，結果如圖3所示。從試驗結果可以看出，砂漿不同齡期的變化規律存在一定的差異性。在3 d齡期條件下，試件的抗壓強度隨著草木灰取代率的增加呈現出不斷減小的變化特點；在28 d和56 d齡期條件下，試件的抗壓強度隨著草木灰取代率的增加呈現出小幅增加后不斷減小的變化特點，在草木灰取代率為10%時的抗壓強度值最大，主要原因是草木灰本身不具備承載力，摻入會導致養護初期砂漿強度降低。隨著養護時間的延長 ，草木灰的火山灰活性開始作用，此時草木灰中的 SiO2和Al2O3與水泥水化后產生的Ga（OH）2進一步發生反應，生成對強度及致密性更有利的C-S-H凝膠，改善了材料內部界面缺陷，提升了混凝土的后期抗壓強度，故草木灰對后期抗壓強度影響強于其對前期強度影響。當然，大量摻入草木灰會導致水泥用量不足。同時，作為生物質燃料燃燒的產物，因燃燒不充分導致草木灰的碳含量比較高，而草木灰中的活性成分主要是SiO2和Al2O3，未燃碳不僅對水泥水化毫無益處，并且含量高會導致膠凝材料需水量提高，間接提高棉稈纖維水泥基試塊中膠凝材料的水膠比，從而降低其強度，草木灰中未燃碳對棉稈纖維水泥基材料抗壓強度的消極作用大于草木灰中活性成分對抗壓強度的積極作用，表現為草木灰替代量越高，棉稈纖維水泥基材料抗壓強度越低。

利用試驗中獲得的數據，計算獲取不同草木灰取代率、不同齡期的條件下試件的抗折強度值，結果如圖4所示。從試驗結果可以看出，砂漿試件的抗折強度變化規律與抗壓強度類似，在3 d齡期條件下，試件的抗折強度隨著草木灰取代率的增加呈現出不斷減小的變化特點。在28 d和56 d齡期條件下，試件的抗折強度隨著草木灰取代率的增加呈現出小幅增加后不斷減小的變化特點，在草木灰取代率為10%時的抗折強度值最大，其原因和抗壓強度類似。

2.3水化程度

化學結合水是水泥水化程度的重要表征量，根據試驗中獲得的數據，計算獲取不同試驗方案的化學結合水量，并繪制出化學結合水量隨草木灰取代率的變化曲線，結果如圖5所示。從試驗結果可以看出，在28 d和56 d試驗齡期條件下，化學結合水量均隨著草木灰取代率的增加呈現出先增加后減小的變化趨勢，當草木灰取代率為10%時的化學結合水量最大。在3 d齡期條件下，化學結合水量隨草木灰取代率的增加呈現出不斷減小的變化特點。究其原因，主要是草木灰本身具有一定的吸水性，一定量的摻入可以蓄積一定水量，為水泥后期的水化作用提供一定量水分，促進化學結合水量的增加。但是，大量摻入草木灰，會導致其吸收的水分過多，對水泥前期水化反應造成不利影響，因此化學結合水量會下降。在3 d齡期條件下，由于草木灰主要表現為吸水作用，影響水泥水化反應過程中的水分供應，因此，隨著取代率的增加，化學結合水量呈現出不斷降低的趨勢。

3結論

此次實驗研究主要針對草木灰對竹原纖維砂漿性能的影響展開研究，獲得的主要結論如下：

（1） 隨著草木灰摻量的增加，竹原纖維砂漿的吸水率和導熱系數呈現出先減小后增大的變化特點。

（2） 隨著草木灰摻量的增加，3 d齡期的抗壓強度、抗折強度和化學結合水量呈現出不斷減小的變化特點。28 d和56 d齡期抗壓強度、抗折強度和化學結合水量呈現出先增大后減小的變化特點。

（3） 從試驗數據來看，草木灰的最佳取代率應為水泥用量的10%左右。

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（編輯：李慧）

Effect of replacement ratio of plant ash on physical and mechanical properties

of bamboo fiber hydraulic mortarWANG Xian

（Cangzhou Water Resources Survey，Planning and Design Institute Co.，Ltd.，Cangzhou 061000，China）

Abstract： Plant ash has a certain pozzolanic activity，which has engineering and ecological significance by using it as an admixture of cement-based building materials.The effect of plant ash on the performance of bamboo fiber mortar was studied by indoor test.The test results showed that adding a certain amount of plant ash into bamboo fiber mortar could reduce the water absorption rate and thermal conductivity，improve its later compression and flexural strength to improve the physical and mechanical properties；the replacement of a certain amount of cement with plant ash in the bamboo fiber mortar could improve bound water content；the best replacement rate of the cement should be about 10%.The material is valuable for engineering application and environmental protection.

Key words： plant ash； cement mortar； bamboo fiber； indoor test